Stora skillnader i det tidiga universums "dimmighet" orsakades av öar av kall gas som lämnades kvar när universum värmdes upp efter big bang, enligt ett internationellt team av astronomer.

Resultaten, redovisas i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , har gjort det möjligt för astronomer att nollställa tiden när återjoniseringen upphörde och universum dök upp från ett kallt och mörkt tillstånd för att bli vad det är idag:fullt av het och joniserad vätgas som genomsyrar utrymmet mellan lysande galaxer.

Vätgas dämpar ljuset från avlägsna galaxer ungefär som gatlyktor dämpas av dimma en vintermorgon. Genom att observera denna nedtoning i spektra av en speciell typ av ljusa galaxer, kallas kvasarer, astronomer kan studera förhållanden i det tidiga universum.

De senaste åren, observationer av detta specifika dimningsmönster (kallad Lyman-alpha Forest) antydde att universums dimmighet varierar avsevärt från en del av universum till en annan, men orsaken bakom dessa variationer var okänd.

"Vi förväntade oss att ljuset från kvasarer skulle variera från plats till plats högst med en faktor två vid denna tidpunkt, men det ses variera med en faktor på cirka 500, " sa huvudförfattaren Girish Kulkarni, som avslutade forskningen medan han var postdoktor vid University of Cambridge. "Några hypoteser lades fram för varför det är så, men ingen var tillfredsställande."

Den nya studien drar slutsatsen att dessa variationer beror på stora regioner fulla av kall vätgas som fanns i universum när det bara var en miljard år gammalt, ett resultat som gör det möjligt för forskare att peka ut när återjoniseringen tog slut.

Under återjonisering, när universum övergick ut ur den kosmiska "mörka medeltiden", utrymmet mellan galaxerna var fyllt med ett plasma av joniserat väte med en temperatur på cirka 10, 000˚C. Detta är förbryllande eftersom femtio miljoner år efter big bang, universum var kallt och mörkt. Den innehöll gas med temperaturer bara några få grader över den absoluta nollpunkten, och inga lysande stjärnor och galaxer. Hur kommer det sig då att idag, cirka 13,6 miljarder år senare, universum badar i ljus från stjärnor i en mängd olika galaxer, och gasen är tusen gånger varmare?

Att besvara denna fråga har varit ett viktigt mål för kosmologisk forskning under de senaste två decennierna. Slutsatserna från den nya studien tyder på att återjonisering inträffade 1,1 miljarder år efter den stora smällen (eller för 12,7 miljarder år sedan), ganska lite senare än tidigare trott.

Teamet av forskare från Indien, Storbrittanien, Kanada, Tyskland, och Frankrike drog sina slutsatser med hjälp av toppmoderna datorsimuleringar utförda på superdatorer baserade vid universiteten i Cambridge, Durham, och Paris, finansierat av UK Science and Technology Facilities Council (STFC) och Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE).

"När universum var 1,1 miljarder år gammalt fanns det fortfarande stora fickor i kosmos där gasen mellan galaxerna fortfarande var kall och det är dessa neutrala öar av kall gas som förklarar de förbryllande observationerna, " sa Martin Haehnelt vid University of Cambridge, som ledde gruppen som genomförde denna forskning, stöds av finansiering från Europeiska forskningsrådet (ERC).

"Detta gör att vi äntligen kan peka ut slutet på återjoniseringen mycket mer exakt än tidigare, " sa Laura Keating från Canadian Institute of Theoretical Astrophysics.

Den nya studien tyder på att universum återjoniserades av ljus från unga stjärnor i de första galaxerna som bildades.

"Sen återjonisering är också goda nyheter för framtida experiment som syftar till att detektera det neutrala vätet från det tidiga universum, sade Kulkarni, som nu är baserad på Tata Institute of Fundamental Research i Indien. "Ju senare återjoniseringen, desto lättare blir det för dessa experiment att lyckas."

Ett sådant experiment är tionationernas Square Kilometer Array (SKA) varav Kanada, Frankrike, Indien, och Storbritannien är medlemmar.